Su Donarken Şaşırır Mı?
Nuri BALTA
 

Tabiat kanunları dediğimiz fizik ve kimyada geçerli sebep-netice münasebeti her zaman beklendiği veya tahmin edildiği gibi cereyan etmeyebilir. Birçok kanun istisnasıyla yeknesaklığı ve alışılmışlığı bozar. Kanunları yaratan Sonsuz Kudret Sahibi Zât'ın, koyduğu kanunlarının esiri olmadığını, istediği gibi değişiklikler yaparak gösterir. Bu farklı icraatlar bazen ayrı bir kanun halinde ifade edilebileceği gibi, bazen istisna, bazen de mucize olarak tarif edilebilir.
1969 yılında, Tanzanya'da lise öğrencisi Mpemba'nın başından ilginç bir olay geçti. Okulda öğrenciler, sıcak süt ile şekeri karıştırarak dondurma yapıyordu. Mpemba, bir gün sıcak süt ve şeker karışımını, (aceleci davranarak, soğumasını beklemeden) diğer öğrencilere ait ılımış sütler ile beraber buzluğa koydu. Bir süre sonra dondurmaları buzluktan çıkarma zamanı geldiğinde, Mpemba'yı bir sürpriz bekliyordu. Mpemba, diğerlerinden daha sıcak olarak buzluğa koyduğu sütünün, daha çabuk donduğunu hayretle gördü. Fizik öğretmenine koştu, fakat öğretmeni yanlışlık yapmış olabileceğini, çünkü böyle bir şeyin imkânsız olduğunu söyledi.

Mpemba, öğretmenine inandı. Aynı yıl Tanga ilçesinde dondurma yapıp satan bir arkadaşıyla karşılaştı. Arkadaşı dondurmayı daha çabuk yapmak için sütü sıcak olarak dondurucuya koyduğunu söyledi. Mpemba arkadaşının da aynı hâdiseyi tecrübe ettiğini gördü.

Mpemba lisede Newton kanunlarını ve ısıyla alâkalı bilgileri aldıktan sonra sıcak suyun ılık sudan daha çabuk donmasının sebebini fizik öğretmenine tekrar sordu. Öğretmeni ona yine dikkatsizce bir araştırma yapmış olabileceğini söyledi. Mpemba ısrar edip tartışmaya devam edince öğretmeni: "Söyleyeceğim şey şu ki; bu Mpemba'nın fiziği ama genel fizik değil." Bu tartışmadan ve alaycı ifadeden sonra öğretmen ve sınıftaki arkadaşları Mpemba'nın fizik ve matematikteki hatalarına, "Bu Mpemba fiziği, bu Mpemba matematiği..." diye devamlı alay ettiler. Fakat Mpemba yılmadı ve okuldaki fizik lâboratuarında yaptığı çalışmada yine aynı sonucu buldu.

Bir gün, bir fizik profesörü olan Dr. Osborne, Mpemba'nın lisesini ziyaret etti. Bu Mpemba için iyi bir fırsattı. Sıcak suyun daha çabuk donması meselesini Dr. Osborne'ye de sordu. Profesör, bu duruma hemen bir açıklama getiremeyeceğini, fakat deneyi sonra yapacağını söyledi. Lâboratuarına geldiğinde, Mpemba'nın iddiasını test etmesi için yardımcı teknisyenlerden birine görev verdi. Teknisyen de deney sonucunda sıcak suyun daha çabuk donduğunu gördü. Fakat, "İstediğimiz sonucu alıncaya kadar deneyi tekrarlayacağız." dedi. Tekrar yapılan deneyler de aynı sonucu verdi. Bu süreçte Mpemba ve Profesör Osborne olaydan iyice emin oldular ve 1969 yılında çalışmalarının raporunu yazıp yayımladılar.

Bugün hâlâ bu olay, sebebi açıklanamamış bir hâdise olarak bilim dünyasını şaşırtmaya devam etmektedir.

İçinde eşit miktarda su bulunan benzer iki kap alıyoruz. Aralarındaki tek fark, bir tanesindeki suyun sıcaklığının diğerinden fazla olması. Şimdi iki kabı da eşit şartlarda soğumaya bırakıyoruz (Soğuk bir kış gününde dışarıya ya da evimizdeki buzluğa koyuyoruz.). Deneyimiz sıcak suyun daha çabuk donmasıyla sonuçlanıyor.

Mpemba vakası imkânsız gibi görünüyor. Şöyleki: Ilık suyun 30 0C olduğunu ve 10 dakikada donduğunu farz edelim. Sıcak su ise 90 0C'de olsun. Başlangıçta sıcak olan su 30 0C'ye gelinceye kadar biraz vakit kaybedecek, dolayısıyla donuncaya kadar 10 dakikadan fazla zaman geçecek. Başlangıçta sıcak olan su, ılık suyun geçirdiği safhaların aynısını yaşayacak, ilâve olarak, ılık suyun ilk durumuna gelinceye kadar biraz vakit kaybedecek ve daha uzun sürede donacak. Bu ispat, mantıklı gözüküyorsa da hatalıdır.

Bu ispatın yanlış tarafı, her iki suyun donma süreçlerini karşılaştırırken; sadece ortalama sıcaklığı temel almasıdır. Her iki suyun da ortalama sıcaklık değişimlerinin yanında, diğer faktörler de göz önüne alınınca; sıcak su, ılık suyun başlangıçtaki sıcaklığına geldiğinde, ılık suyun başlangıçta sahip olduğu durumlardan farklı durumlara sahip olacaktır. Çünkü sıcak su 90 0C'den 30 0C'ye gelinceye kadar buharlaşmadan dolayı daha az kütlesi olacak, içinde daha az çözünmüş halde gaz bulunacak, çözünmüş gazların azlığı suyun aşırı soğumasına sebep olacak, suda sıcaklık farklılığından dolayı akımlar olacak ve kendi etrafındaki havanın şartlarını değiştirecektir. Bu beş değişiklik önemlidir ve aşağıda tek tek izah edilecektir. Dolayısıyla yukarıdaki ispat doğru değildir. Mpemba hâdisesi birçok bilim adamı tarafından kontrollü olarak denenmiş ve ispatlanmıştır.

Yukarıdaki açıklamalara rağmen, Mpemba vakasının sebebi halen tam bilinmiyor. Mümkün olabilecek bir çok açıklama yapılmıştır. Fakat şimdiye kadar bu hâdisede en önemli rolü oynayan sebep bulunamamıştır.

Atomu parçalayan modern çağın bilim adamları, bu hâdisenin sebebini bulamıyorlar. Çünkü, sebebi bulmayı zorlaştıran çeşitli faktörler var; kabın şekli ve boyutları, dondurucunun şekli ve boyutları, sudaki çözülmüş halde bulunan gazlar ve diğer erimiş mineraller, dondurulma vaktinin belirlenme şekli bunların başlıcalarıdır.

Mpemba hâdisesinin gerçekleşmesi hususunda bilim adamları arasında ihtilaf yok, fakat olayın gerçekleşme şartları şekli hususunda fikir ayrılıkları vardır. Çok değişik deneyler ve şartlar altında yapılmıştır. Yukarıda bu mekânizmanın sebebi olabilecek faktörleri saymıştık. Aşağıda bu faktörler tek tek incelenecektir. Görünen şu ki; Mpemba hâdisesinin mekanizmasını her türlü başlangıç şartları karşısında açıklayan bir sebep bulunamamıştır. Çünkü başlangıç şartları değiştikçe olayda rol oynayan sebepler de değişmektedir.

Mpemba hâdisesi bütün başlangıçtaki şartları için geçerli değildir. Meselâ, bir kaptaki suyun sıcaklığı 99,9 0C, diğerininki 0,01 0C olsa, elbette ki düşük sıcaklıktaki erken donar. Bunun gibi Mpemba vakası bazı başlangıç sıcaklıkları, kapların şekilleri ve soğutma durumları için gerçekleşmez.

Buharlaşma: Başlangıçta sıcak olan su, başlangıçta ılık olan suyun sıcaklığına geldiğinde buharlaşmadan dolayı fark edilebilir derecede kütle kaybına uğruyor. Azalan kütle suyun çabuk soğumasını ve donmasını sağlayacaktır. Böylece başlangıçta sıcak olan çabuk donacak fakat diğerine göre daha az kütleye sahip buz olacaktır.

Eğer suyun sıcaklığını tamamen buharlaşma yoluyla kaybettiğini farz etsek, teorik hesaplamalar, Mpemba hâdisesinin sebebinin buharlaşma olduğunu gösteriyor. Fakat bu, hâdisede rol oynayan tek mekânizma değildir. Çünkü kütle kaybının olmadığı kapalı kaplarda (buharlaşan su tekrar soğur ve kaba geri su olarak döner) Mpemba hâdisesi yine gerçekleşiyor. Ayrıca birçok bilim adamı yaptıkları çalışmalarda bu olayda buharlaşmanın tek başına rol oynamadığını ispatlamıştır.

Çözülmüş Gazlar: Sıcak suda ılık suya göre daha az çözülmüş halde gaz vardır. Çünkü su ısındıkça içindeki çözülmüş gazlar sudan dışarı çıkar. Böylece başlangıçta sıcak olan suda ılık suya göre daha az çözülmüş halde gaz vardır. Bilim adamları arasındaki görüşe göre çözülmüş gazların azlığı suyun özelliklerini değiştiriyor; ısının iletim yoluyla yayılmasını kolaylaştırması (böylece çabuk soğumasını sağlar), birim kütledeki suyu dondurmak için gerekli olan ısı miktarını düşürmesi, suyun kaynama noktasını değiştirmesi gibi. Bu açıklamayı destekleyen deneyler yapılmıştır, fakat açıklamayı destekleyebilecek teorik hesaplamalar yoktur.

Aşırı Soğuma: Su, her zaman, deniz seviyesinde 0 0C de donmaz. Suyun 0 0C'nin altında, meselâ -5 0C, -10 0C'de donmasına aşırı soğuma diyoruz.

Suyun donmaya başlaması için buz kristallerinin çekirdeklerinin teşkili gerekmektedir. Çekirdeklenmenin başlaması için de suda çözünmüş gazlar, toz parçaları ya da kabın pürüzlü yüzeyleri gibi faktörlerin olması gerekir. Suda bu tür kristalleşmeyi başlatacak faktörler yoksa, su -20 0C'lere kadar donmadan aşırı soğuyabilir. Başlangıçta sıcak olan suyun içinde ılık suya göre daha az halde çözünmüş gaz olur. Bu durumda başlangıçta sıcak olan su, aşırı soğumaya uğrar. Bu durumu şöyle açıklayabiliriz: Başlangıçta ılık olan su, -2 0C'de donmaya başlarsa, başlangıçta sıcak olan su -8 0C gibi bir sıcaklıkta donmaya başlar.

Daha erken donmaya başlayan suyun yüzeyinde oluşan buz tabakası, dış ortam ile su arasında bir yalıtım oluşturup, suyun sıcaklığını kaybetmesini bir miktar önler ve geç donmasını sağlar. Başlangıçta sıcak olan su, daha geç donmaya başlar ve o ana kadar dışarı ile daha fazla ısı alış-verişi gerçekleştirerek daha çabuk soğur ve donar.

İletim: Su soğudukça kendi içinde ısı iletim akımları (suyun hareket etmesi) ve düzgün olmayan sıcaklık dağılımları oluşur. Yoğunluk, yükselen sıcaklıkla azalır ve yoğunluğu az fakat sıcaklığı fazla olan su yukarı çıkar, böylece suyun üst kısmı alt kısmından daha sıcak olur. Su ısısını genelde yüzeyden kaybediyorsa, üst tarafı daha sıcak olan su, her taraf aynı sıcaklıkta olan suya göre ısısını daha çabuk kaybeder. Başlangıçta sıcak olan suyun ortalama sıcaklığı, başlangıçta ılık olan suyun sıcaklığına geldiğinde, üst kısmı daha sıcak olan bir su olarak gelir. Dolayısıyla daha büyük bir soğuma hızına sahip olacaktır. Yapılan deneylerde sıcaklık farkından dolayı suyun içinde akımın olduğu kesin fakat, Mpemba hâdisesinin sebebinin iletim olduğu ispatlanamamıştır.

Çevre: Son bir sebep olarak Mpemba hâdisesi, suyun kendisinden ziyade çevresine olan tesirine bağlanıyor. Başlangıçta sıcak olan su kendi çevresini herhangi bir şekilde değiştirip soğumaya tesir edebilir. Mesela kap, sıcaklığı iyi iletmeyen donmuş haldeki bir yüzeye bırakılsa, sıcak su yüzeyi eritip daha iyi bir soğuma ortamı oluşturabilir. Fakat bu genel bir açıklama değildir, çünkü deneylerin çoğu donmuş bir yüzeye temas eden kaplarda yapılmamıştır.

Kısaca, sıcak su hemen hemen bütün durumlarda ılık sudan daha çabuk donuyor. Bu imkânsız değildir, çünkü birçok deneyle ispatlanmıştır. Açıklama olabilecek birçok sebep bulunmuşsa da, üzerinde anlaşılan bir sebep bulunamamıştır. Çok değişik mekanizmalar ön görülmüşse de, deneyle tasdiklenmiş olarak kesin bir sebep bulunamamıştır.

Sıcak suyun soğuk sudan daha çabuk donduğu asırlar öncesinden bilinen bir hâdiseydi. Bu hâdise, Mpemba tarafından bilim dünyasının gündemine tekrar getirilmeden önce Aristoteles, Bacon, Descartes ve başkaları tarafından biliniyordu. Avrupa'da en son Mpemba'dan 500 yıl önce tartışılmış ve modern düşüncelere ters geldiği için üzerinde durulmamış, bilim adamları arasında halka ait bir inanış olarak algılanmış.

Mpemba'nın 1969 yılında Tanzanya'da bir lise öğrencisi iken bu hâdiseyi fark etmesi ve üzerinde ısrarla durması, bilim adamlarının ve öğretmenlerin, bilim dışındaki şahısların düşünceleri ve buluşları hakkında önyargılı davrandığına dair dramatik bir misaldir. Kim bilir şimdiye kadar peşin hükümlü öğretmen ve bilim adamları tarafından kaç tane Einstein olabilecek öğrencinin önü bu yaklaşımlardan tıkanmıştır?

Mpemba hâdisesinin sebebi ile ilgili daha sonra yapılan çalışmaların tamamı açık bir sonuca ulaşmadı ve açıklamasız kaldı. Sebep olabilecek değişik faktörler defalarca incelendi. Bu konu popüler "New Scientist" dergisinde birkaç defa yazıldı. Daha sonra ortaya çıktı ki, bu olay, aslında birçok kişi tarafından biliniyormuş. Fakat hiç kimse bu olayın mantıkî ve ilmî sebebini açıklayamıyor.

Kâinatta gözlemlenen, gelenekselleşmiş anlayışlarla uyuşmayan veya halihazırdaki ilmî düşüncelere ters düşen hâdiseler, ilk bakışta ne kadar basit ve önemsiz görünse de bilimde ve kâinat anlayışımızda köklü değişimler meydana getirme potansiyeline sahiptir. Bilim tarihi "anormalin" (sıradışı, aykırı) olarak algılanmış bu tür fenomenlerle gelişen pek çok devrime sahne olmuştur. Galile'nin teleskopla Ay'ın yüzeyindeki çıkıntıları fark edip orada da dünyadaki gibi dağlar olabileceğini ortaya çıkarması, o zamana kadar kabul edilegelen yıldızların ve gök cisimlerinin mükemmel küre şeklinde ilâhî varlıklar olarak düşünülmesini, dolayısıyla da Ay altı âlemde (yeryüzünde) geçerli fizik kanunlarının bütün kâinatta geçerli olamayacağı fikrini ciddi biçimde sarsmış ve modern astronomi ve fiziğin gelişmesine zemin hazırlamıştır. Planck tarafından incelenen, karacisim ışıması şeklinde, ayrıntı gibi kabul edilebilecek bir fenomen de bütün klâsik fiziği kökünden değiştiren kuantum fiziğinin keşfine vesile olmuştur. Kâinat kitabındaki her hâdiseyi küçük-büyük, sıradan-enteresan demeden, dikkatle okumak ve arkasında yatan sebepleri anlamaya çalışmak, kâinatın işleyişindeki küllî kanunları daha doğru anlamak için en temel bir ön şarttır. Derinlemesine tetkik edildiği taktirde basit gördüğümüz hâdiselerin arkasındaki muazzam kompleks sistemin farkına varabiliriz. Bu muhteşem sistemi dilediği gibi evirip çeviren ve bakmasını bilenlerde hayret ve takdir hissi uyaran Kudreti Sonsuz'un sınırsız ilmine saygı duymayı öğrenebiliriz



Bu bölüm 5079 defa görüntülenmiştir.